远程传输型共底安全监测系统设计及特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:陈联

  远程传输型共底安全监测系统是为满足当前火箭发射场自动化、高可靠性和缩短发射周期的需求,在原有火箭低温贮箱用共底安全监测系统基础上进行改进设计而研制的新一代安全监测系统。本文主要介绍了共底安全监测系统的历次设计变化情况,新一代远程传输型共底安全监测系统的主要结构及单元设计、性能与技术指标测试结果。

  以液氢和液氧作为推进剂的低温运载火箭,由于液氢(沸点-253 ℃)、液氧(沸点-183 ℃)易蒸发,且两种介质的沸点相差特别大,在火箭结构设计上常采用蜂窝状真空绝热的共底贮箱结构存放液氢和液氧介质,这种贮箱结构的优越性已被各国宇航界所认可,国内外多种型号的低温运载火箭都有应用,但液氢、液氧的低温特性和高泄漏能力又会使这类型火箭的发射过程充满较高风险。为避免氢、氧在共底腔内形成混合,要求共底腔两侧不能有氢、氧的泄漏发生,同时也要避免外部空气进入到共底腔内部。因此,在低温液体推进剂加注过程中,必须对共底腔内压力和氢、氧浓度进行实时监测,确保发射安全。火箭共底安全监测系统是为实现上述功能、确保火箭发射过程中的人身安全和产品安全而研发的专用危险气体泄漏监测设备。

1、历次设计变化情况分析

  火箭共底安全监测系统自从1980 年提出论证和概念设计以来,在服务火箭发射任务的30多年时间里,随着任务需求变化、真空技术和计算机技术的发展,先后共进行了4 次系统更新和设计改造,具体概况见表1。由表1 可以看出,共底安全监测系统的设计在历史上发生多次变化,且每次设计变化都反映了当时的真空技术和计算机发展水平,但是基本的测量原理没有发生变化,一直采用四极质谱分析的方法实现微量氢、氧气体泄漏监测。

表1 共底安全监测系统历次变化情况统计表

共底安全监测系统历次变化情况统计表

2、远程传输型共底安全监测系统结构

  2.1、整机结构

  远程传输共底安全监测系统在硬件上由抽空装置和气体成份分析装置两大部分组成,结构示意图见图1。其中,共底抽空装置用于共底真空的获得与维持,包括抽空泵、抽空阀、抽空管道(从共底箱阀至抽空管道阀门之间的管路,长度约为40 m)、泵口真空规和其他相应阀门等几部分。共底气体成份分析装置用于实现共底腔体内残余气体浓度含量的测量,监测氢气、氧气等气体浓度是否超标,在结构上由质谱室、质谱计、质谱室压力规、气体进样微调阀、主抽泵和前级泵等组成。在软件上,研发的专用测试数据传输软件,能实现共底氢气、氧气等气体浓度的自动测量、显示、存贮和传输。

远程传输共底安全监测系统结构原理图

图1 远程传输共底安全监测系统结构原理图

  2.2、工作原理

  共底抽空装置的工作原理是:用40 m 抽空管道将共底箱阀和抽空泵连接,打开火箭箭体上的箱阀及主管路上相应的阀门后,抽空泵对共底抽气,共底压力测量由安装在共底上的压力传感器,通过与压力传感器配套的真空计连接的测量电缆线来完成。压力值在共底监测期间予以显示并通过远距离信号传输系统传送至指控中心。同时,设置在抽空装置内部的真空规可以间接反映共底内的压力变化情况。

  共底气体成份分析装置的工作原理是:共底腔体内的气体通过抽气管道、取样阀,经微调阀调节后,部分引入气体成份分析装置的质谱室,四极质谱计可根据不同气体分子量的不同,进行质量分离而形成质谱峰,再根据质谱峰的强度大小换算成相应浓度值。浓度测量过程由测试数据传输软件来完成,最终在计算机显示屏上显示出氢、氦、氧、水、氮等气体浓度数值随时间变化趋势,并根据需要实时将共底主要成份浓度数据通过网络远距离传输到指控中心。

  2.3、抽空装置

  考虑到互换性、可移动性和减震的设计要求,本次设计的抽空装置除了满足共底抽空要求外,还设置了2 个气体成份分析装置平台,使用过程中可以将2 台气体成份分析装置同时放置在平台上,形成一个整体操作平台,共底监测时可以同时启动两台设备,一台使用,一台备份,当需要使用备份装置时,通过开启和关闭取样阀组,在1 min 内实现主备份的切换,切换流程简单、迅速。图2 给出了抽空装置内部布局示意图。

抽空装置内部布局示意图

图2 抽空装置内部布局示意图

4、结论

  远程传输共底安全监测系统采用热备份技术,解决了主、备份之间的切换流程复杂、耗时长的缺点,实现了仅需切换几个阀门,在1 min 内完成主、备份切换。采用全无油真空系统,解决了质谱计污染的问题,提高了系统的可靠性。采用金属密封结构设计,降低了质谱室的漏放气速率,将系统启动时间由20 min 缩短到3 min。开发的专业测试数据传输软件,实现了共底危险气体浓度数据的自动测量、采集、存贮和传输。综上所述,新一代共底安全监测系统与原监测系统相比,有效抽速更大、可靠性更高、操作更简单,可以满足未来高密度发射任务需要而提出的缩短共底抽空时间、简化操作流程的需求。

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